隨著硅基半導(dǎo)體不管逼近物理極限，業(yè)界都在尋求其他的替代材料。而近日臺(tái)灣大學(xué)聯(lián)手臺(tái)積電、美國(guó)麻省理工學(xué)院的研究，發(fā)現(xiàn)了二維材料結(jié)合半金屬鉍可以實(shí)現(xiàn)極低的接觸電阻，接近量子極限，并將這一研究發(fā)現(xiàn)發(fā)表于自然期刊，這對(duì)于1nm以下的半導(dǎo)體制程來(lái)說(shuō)是一次巨大的突破。

當(dāng)前主流半導(dǎo)體制程已經(jīng)發(fā)展至3nm和5nm，乃至IBM也在近期推出了2nm，但單位面積內(nèi)所能容納的晶體管數(shù)目也已經(jīng)逼近硅的物理極限，雖說(shuō)制程突破受制于生產(chǎn)設(shè)備，卻也有半導(dǎo)體材料的因素在其中。

石墨烯等二維材料自發(fā)現(xiàn)以來(lái)被視為下一代半導(dǎo)體的材料，但多數(shù)二維材料卻因?yàn)楦唠娮枧c低電流的限制，一直無(wú)法取代硅基半導(dǎo)體。而麻省理工團(tuán)隊(duì)首先發(fā)現(xiàn)二維材料與半金屬鉍結(jié)合可以有效降低電阻，提升電流的傳輸效率。臺(tái)積電技術(shù)研究部門(mén)隨后對(duì)鉍沉積制程進(jìn)行了優(yōu)化，最后臺(tái)大團(tuán)隊(duì)利用造價(jià)數(shù)千萬(wàn)的氦離子束微影系統(tǒng)將元件通道成功縮小至納米級(jí)，才得出這一研究成果。

半金屬鉍與二維材料結(jié)合的的各項(xiàng)參數(shù) / Nature

值得一提的是，該論文中用到的二維材料為該二硫化鉬（MoS2），通過(guò)與半金屬鉍結(jié)合，其接觸電阻已經(jīng)達(dá)到123歐姆微米。

跨國(guó)研究團(tuán)隊(duì)部分成員，從左至右為沈品均博士（MIT）、吳志毅教授（臺(tái)大）、周昂昇博士（臺(tái)大） / 臺(tái)灣大學(xué)

這次跨國(guó)合作從2019年開(kāi)展，時(shí)長(zhǎng)達(dá)一年半。參與這次跨國(guó)研究的臺(tái)大研究團(tuán)隊(duì)為臺(tái)大光電所，并由有機(jī)光電材料分析研發(fā)實(shí)驗(yàn)室的吳志毅教授等人參與研究，該實(shí)驗(yàn)室的主攻項(xiàng)目石墨烯、太陽(yáng)能電池和OLED等材料。吳志毅提到，使用鉍作為金屬電極的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)后，二維材料的晶體管效能可以媲美硅基半導(dǎo)體，而且可以與目前的主流硅基制程技術(shù)兼容，有助于實(shí)現(xiàn)摩爾定律的突破。雖然目前尚處于研究階段，但其提供的省電和高速等特性，都是非常具有潛力的。

麻省理工方面主導(dǎo)研究的是沈品均博士，他也是本論文的第一作者和通訊作者。他表示改用二維材料后，可將制程突破至1nm以下，更接近與固態(tài)半導(dǎo)體材料厚度的極限。而半金屬鉍的材料特性可以消除二維材料表面的勢(shì)壘，從而實(shí)現(xiàn)超低的接觸電阻，而且半金屬鉍沉積時(shí)，并不會(huì)破壞二維材料的原子結(jié)構(gòu)。

從這次突破可以看出，臺(tái)積電對(duì)產(chǎn)學(xué)研上的投入有多大，其產(chǎn)學(xué)大聯(lián)盟計(jì)劃聯(lián)合了多所著名高校，鉆研半導(dǎo)體技術(shù)。比如今年3月份臺(tái)積電與臺(tái)灣交通大學(xué)聯(lián)合研制的最薄氮化硼二維絕緣材料，該材料同樣可以用于1nm制程的突破。

本文資料來(lái)自臺(tái)大焦點(diǎn)報(bào)道、Nature，本文整理發(fā)布。